熱壓成型聚合物實心微針的模具設計

 摘要: 傳統的給藥方式有經皮給藥和透皮給藥2 種方式。而微針經皮給藥可以有效地將2 種給藥技術相結合。
微針作為一種新型醫療技術，既結合了傳統給藥方式的優點，又克服了其劣勢，未來的應用會越來越廣泛。而微針尺寸小，屬于微米尺度制品，其成型和大批量生產主要依賴于微成型模具。文章設計了一種微成型熱壓模具，模具主要由壓模成型零件、控溫系統、定位導向系統3 部分組成，設計的成型零件結構將裁剪與熱壓2 種功能統一，倒T 型結構將聚合物片自動頂出型腔，為實現聚合物微針低成本、大批量生產提供了解決方案?；赑C 聚合物成功制備微針的實驗，證明了聚合物微針模具設計方案、模具整體結構、模具設計及模具材料的選擇都是合理的。
0 引言
        傳統的經皮給藥主要通過皮下注射，這種方式突破角質層屏障，直接把藥物送到皮膚深層，實現準確有效地給藥，但是經常會發生疼痛、皮膚感染、組織損傷等問題，危害患者健康。傳統的透皮給藥有藥物涂覆、膏藥貼片等方式，其使用便捷，沒有痛感，可以隨時停止給藥，但皮膚角質層會阻礙藥物，使藥物吸收效果不理想［1］。微針經皮給藥作為一種將傳統的經皮給藥與透皮給藥技術相結合的新型給藥方式［2 － 3］，其主要仿照蚊子口針設計［4］，既有傳統經皮給藥運輸藥物速度快、準確給藥的優點，又沒有皮膚損傷、疼痛及感染等副作用，同時避免了難以輸送生物大分子藥物的劣勢［5］。
        微針的制備方法多種多樣，有各向異性濕法腐蝕法、干法刻蝕和微細加工技術。李以貴等［6］通過LIGA 技術: X 光光刻、顯影之后得到聚甲基丙烯酸甲酯( PMMA) 微針陣列。Park 等［7］結合掩膜刻蝕技術和MEMS 技術，制備出帶有傾斜針尖的生物可降解聚合物微針。閆肖肖等［8］等人通過微針原始模具的制作，微針模具的制作，運用澆鑄成型的方法復制了四棱錐微針。但是大量的研究者所采用的成型方法都只適用在實驗研究中的少量生產，并且生產周期長，生產成本高，工藝條件可重復性差，難以實現大批量生產，更難應用在工業化生產中。文章設計了一種微針熱壓微成型模具，該成型方法工藝簡單、成型周期短，提高了微針成型效率，實現了微針高質量、大批量成型。
1 微針塑件分析
        制作微針常用的材料有: 硅、金屬和聚合物。硅材料微針制作工藝技術成熟、便于集成化，但硅微針抗斷裂強度低，在刺入皮膚后容易發生斷裂，造成針頭留在體內［8］。金屬微針堅硬不易破碎，力學性能優異，不會像硅微針在刺入皮膚后發生斷裂有殘留在體內的可能，但是金屬微針制備目前只能通過刻蝕、鑄模電鍍等方法，加工成本高，不易工業化生產，并且金屬容易被氧化污染，對人體造成危害［9］。聚合物應用廣泛、價格便宜，具有很好的生物相容性［10］。隨著聚合物的發展，研究聚合物微針的應用越來越多，文章設計的模具主要應用于制作聚合物微針。
        微針針尖的形狀有圓筒形［11］、尖銳針尖、圓柱形針體及側面開口的微針［12］、頂部為半球形的空心微針［13］、四棱錐形［14］、帶溝槽的實心聚合物微針［15］。文章中，微針針尖的形狀為實心三棱錐，如圖1 所示，微針高315 μm，底面為邊長250 μm 的等邊三角形。微針排列為6 × 10 的矩形，一次成型共計60 個微針。

2 模具設計
2. 1 微針模具設計要求
        成型微針制品的微針成型模具屬于微成型模具，其設計的合理性和加工質量直接決定了成品的質量［16］，因此設計的模具應滿足: 1) 熱壓過程中，凸模和凹模會發生接觸，所以模具要有足夠的剛度、強度，保證模具分型面基準不變; 2) 凸模和凹模表面要和聚合物片直接接觸，由于微結構尺寸小，充模之后，聚合物更容易黏接在結構中，造成取樣困難，因此加工精度要求高，表面要足夠光潔; 3) 為實現批量化生產，模具必須具有快速升
溫降溫功能; 4) 成型表面要有足夠的平面度，微量誤差會造成微針無法成型; 5) 凸模和凹模需要在密閉的空間內成型微針制品，配合精度要求高; 6) 微針模具的型腔尺寸屬于微尺度范圍，尺度效應的存在使成型過程中熔體的流動、傳熱與宏觀尺度下形成差異［16］，手動脫模會導致成型微針發生傾斜，需要設置自動脫模裝置。同時，文章所使用的本實驗室自主研發的微納成型熱壓印機進一步為微針的精密成型提供了保證。
2. 2 模具選材
        為保證凹凸模具的剛度，選擇用于制件形狀復雜、工作負荷較重的Cr12MoV 模具鋼。過熱處理后，Cr12MoV 鋼具有較高的硬度、高溫強度、耐磨性和較高的抗回火穩定性，能承受高溫、高壓的作用，承受較大的沖擊力，具有優良的綜合力學性能。微針鑲塊使用具有高拋光度及高耐蝕的塑料模具鋼S136。上下模架采用S50C 高級優質中碳鋼，此種鋼材耐磨性優良、延展性小。加熱板、通風板、壓緊板、微針擋塊、U 形塊、排氣板則采用
具有較高強度和較好切削加工性、經適當熱處理以后可獲得一定的韌性、塑性和耐磨性且材料來源方便的中碳調質結構鋼45號鋼，其調質處理后的零件具有良好的綜合力學性能。
2. 3 模具結構設計
2. 3. 1 擬定結構形式
        實驗采用壓制成型，成型模具分為上模和下模，上模為動模，隨著滑動臺上下移動，下模為定模，固定在熱壓機的工作臺上。模具整體結構主要由壓模成型零件、導向零件、控溫系統構成，具體結構如圖2 所示。

        在壓印過程中發現，聚合物片材由于受到壓力的作用會沿著平面方向流動取向，聚合物充滿型腔所需壓強達到50 MPa 以上，過大的壓力不僅造成微針制品成型困難，取向變形效應使位于陣列邊緣的微針制品高度明顯低于中心微針高度，高度均勻性差。所以將凹凸模改進設計為可以形成密閉空間的結構。
2. 3. 2 整體結構
        模具的整體結構如圖3 所示。壓模成型零件主要包括: 凸模、壓緊板、凹模、微針鑲塊、滑塊; 模具的定位依靠滾珠導柱; 控溫系統包括加熱塊、支撐板、通風板。
模具上半部分包括: 上模座、上隔熱板、上支撐板、上加熱塊、上通風板、凸模、壓緊板。下半部分包括: 凹模、滑塊、微針鑲塊、排氣板、下通風板、下模座。

2. 3. 3 成型零件結構
1) 凸模結構
        凸模的設計如圖3 所示，凸模和壓緊板屬于上模具部分，凹模、滑塊、排氣板和微針鑲塊屬于下模具部分，兩者以兩分型面為界。在未接觸時，壓緊板的下表面低于凸模的下表面，凸模與壓緊板之間設有彈簧，壓緊板接觸到凹模后，彈簧收縮，凸模和凹模裁剪聚合物片，同時形成微針制品型腔。凸模與凹模的側邊設有螺紋孔，螺紋孔放置熱電偶，起到控制模具溫度的作用。
2) 凹模結構
        凹模結構設計如圖4 所示，在滑塊上有上部頂出結構和下部頂出結構。上部頂出結構具有將熱壓成型后的聚合物片頂出凹模型腔的作用，而下部頂出結構則主要將滑塊移動至低于凹模上表面，使凹模、滑塊、凸模和壓緊板形成一個密閉空間，熱壓過程結束后將滑塊頂起。在上部頂出結構的共同作用下使微針聚合物片脫離凹模和滑塊

3) 微針鑲塊結構
        微針鑲塊模具設計采用疊片式，由多個長方體金屬片組成，長方體一側上方加工微針凹型結構，相鄰兩片金屬片拼接組成微針型腔，如圖5、6 所示。疊片式微針模具嵌入到下模的滑塊中，該疊片式微針模具在加工微針凹形微結構時，只需在單個金屬片的側面加工出微針凹形微結構，將復雜的金屬高深寬比體微加工轉化為簡單的面加工。

 綜上所述，所設計的模具密閉空間解決了壓印壓力過大和片材取向造成的微針尺寸不精確及模具變形壽命短的問題，同時，裁剪和脫模的一體化設計提高了成型效率，為實現自動化生產提供了可能。微針鑲塊模具還可隨時進行更換，成型其它制品，節約了制造成本。
2. 3. 4 其他零件結構
1) 支撐板
        支撐板結構示意圖如圖7 所示，加熱塊用于模具的升溫，中部的2 個U 形槽放置加熱塊，起到固定加熱塊位置，使其不發生移動的作用。U 形槽與加熱塊采用間隙配合，保護了加熱塊，使其不被上模座和下模座壓壞，保證了其壽命。
2) 隔熱板
        隔熱板用于模具的保溫，提高了加熱效率，同時避免溫度傳導至上下模座與熱壓印機的上下工作臺，造成壓印機的損壞。加熱板分別設置在上模座和上支撐板、下模座和下支撐板之間，復合材料厚12 mm，耐溫200 ℃。
3) 通風板
        通風板結構示意圖如圖8 所示，在中部加工寬8 mm 的矩形槽5 條，這5 條矩形槽為壓縮空氣的流動通道。同時在基板的兩側設置通孔，用于進出壓縮空氣，起到快速冷卻的作用。
4) 排氣板
        排氣板的結構示意圖如圖9 所示，在基板中部開有V 形槽，V 形槽與微針鑲塊底部接觸，由于微針鑲塊由疊片組成，空氣可以通過疊片間的縫隙到達排氣板的V 型槽，從而排出型腔中的空氣。

2. 3. 5 工作過程
        將聚合物片材放置于上模與下模的分型面處，熱壓機啟動后，模具上半部分下行，在壓緊板接觸到凹模時將聚合物片材壓緊，凸模繼續下行，凸模與壓緊板之間的彈簧壓縮，將聚合物片材裁剪成凹模型腔尺寸大小的薄片，凸模推動聚合物片材下行直至接觸到微針鑲塊，滑塊在下部頂出結構的作用下收縮，凸模的下表面位于分型面水平線下，此時凹模的微針鑲塊形成一個密閉空間，在壓力和溫度的共同作用下，聚合物片材變成黏彈態，充滿微針模具型腔，壓印完成后，模具上半部分上行，模具下半部分中滑塊也上行，待與凹模上平面平行時，將有微針的聚合物片材頂出凹模型腔，滑塊上部頂出結構將聚合物片材脫離滑塊和微針鑲塊表面。

3 聚碳酸酯微針成型
        聚合物材料采用聚碳酸酯( PC) 片材( 東莞市群美塑膠材料廠) ，厚度為1 mm。
熱壓印機采用由北京化工大學塑料機械與塑料工程研究所自主研發的IHE-200A 熱壓印機。此壓機專為微結構壓印成型設計，采用伺服電機作為動力源，能對滑塊的行程、速度和工作壓力、上下模板平行度等進行精確控制。最大輸出壓力200 kN，上滑塊行程180 ～ 300 mm，上滑塊和下工作臺面大小相同。
實驗過程: 將聚合物片材放于模具下部分凹模的分型面處，啟動熱壓機后，模具上半部分下行，壓緊板將PC 片壓緊，凸模把PC 片裁剪后，PC 片隨著凸模進入凹模型腔，滑塊頂出結構在凸模的壓力作用下收縮，PC 片處于凸模、滑塊、凹模、微針鑲塊的密閉空間內，在模具上下模板溫度為154 ℃，壓強為12 MPa的條件下形成微針。熱壓結束后，模具上半部分上行，PC 微針片在滑塊上部頂出結構作用下彈出凹模型腔，最后取出制品完
成實驗。
        通過實驗驗證，模具成功制備出PC 聚合物微針片，PC 微針片整體圖和單個放大圖如圖10 所示。其過程中模具成型零件沒有出現失效現象，證明設計合理。

4 結論
        1) 根據聚合物微針壓印要求，設計了聚合物微針壓印模具，模具結構實現了裁剪、熱壓、冷卻功能的一體化，操作簡單，效率高，為實現自動化生產提供了條件。
        2) 疊片式微針鑲塊設計，為微針模具提供了可行的加工方法，同時，鑲塊可更換特點降低了微針模具的加工成本。
        3) 基于PC 片材進行壓印實驗，成功壓制出PC 微針，證明微針模具設計方案，模具整體結構，模具材料選擇是合理的。